Na svět přišla v přístavním městě Charleston, ležícím v americkém státě Jižní Karolína. Po základní škole nastoupila na střední školu Wilberta Tuckera Woodsona ve Fairfaxu a navštěvovala ji do roku 1978. Poté se zaměřila na studium chemie v Cambridge na Massachusettském technologickém institutu (MIT). Roku 1983 získala bakalářský titul a v dalších studiích pokračovala na Massachusettské univerzitě. Tu úspěšně absolvovala roku 1991 a obdržela doktorandský titul.
Ještě před tím nastoupila k vojenskému letectvu a působila na Wright-Pattersonově letecké základně nedaleko Daytonu. Zde jako chemik mimo jiné zkoumala část družice LDEF (Long Duration Exposure Facility), která obíhala kolem Země v letech 1984 až 1990. Z letectva odešla v listopadu 2009.
Roku 1992 byla vybrána do oddílu astronautů a nastoupila trénink na letového specialistu. Věnovala se například tomu, jak se bude chovat užitečné zatížení na palubě kosmické lodi v prostředí mikrogravitace nebo jaká zde bude akustika. Také působila jako komunikační důstojník (CAPCOM).
Na oběžnou dráhu se poprvé vydala raketoplánem Columbia během mise STS-73 v říjnu 1995. Hlavním cílem letu bylo vynesení vesmírné laboratoře Spacelab, ve které se prováděla celá řada experimentů, týkajících se například fyziky tekutin či biotechnologie.
Na druhý kosmický let se Colemanová vydala v červenci 1999. Mise měla označení STS-93 a uskutečnil ji opět raketoplán Columbia. Tentokrát bylo hlavní náplní výpravy vypuštění rentgenové observatoře Chandra. Colemanová se starala například o správné umístění družice a jejího urychlovacího stupně v nákladovém prostoru.
Potřetí Colemanová vzlétla na orbitu ruskou kosmickou lodí Sojuz TMA-20 v prosinci 2010. Po dvou dnech se loď připojila k Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) a posádka do ní přešla. Zde byla Colemanová spolu s dalšími pěti kosmonauty členkou Expedic 26 a 27, což jsou názvy pro dlouhodobé pobyty na ISS. Zastávala v nich funkci palubního inženýra. Protože ráda hraje na flétnu, vzala si tento nástroj s sebou i na oběžnou dráhu a několikrát během svého pobytu na ISS na ni veřejně zahrála. Na zemský povrch se vrátila opět Sojuzem TMA-20, a to v květnu 2011. Během této mise strávila v kosmickém prostoru 159 dní, 7 hodin a 8 minut.
